電力電子技術及電力系統諧波治理

吳任國

（海軍駐武漢四三八廠軍事代表室，湖北省 武漢市 430060）

1 電力電子技術及其發展

美國貝爾實驗室于 1956年研制出世界上第一只晶閘管（SCR），標志著電力電子技術的開始。80年代以來，電子技術的兩大分支--微電子技術與電力電子技術的有機結合產生了新一代多功能集成高頻化全控型的功率器件，具有代表性的是可關斷晶閘管(GTO)、電力晶體管(GTR)、功率場控晶體管（MOSFET）、絕緣門極晶體管（IGBT）等，它們已經形成了一個全控型電力電子器件的系列，并使得電力電子變換電路及其控制電路不斷取得突飛猛進的發展[1,2,3]。

現代電力電子技術利用電力電子器件對電能進行變換和控制，是一門綜合電力半導體器件、電力變換技術、現代電子技術、自動控制技術等許多學科的邊緣交叉學科，在為現代通訊、電子儀器、計算機、工業自動化、電網優化、電力工程、國防及某些高新技術提供高質量、高效率、高可靠性的電能方面起著關鍵的作用。

1.1 電力電子器件

電力電子器件的出現和發展產生了電力電子技術。從50年代起，電力電子器件已經歷了好幾代發展。根據器件的開關控制特性，迄今為止的電力電子器件有3種類型：

(1)不控型器件：指無控制端口的二端器件，如電力二極管。

(2)半控型器件：指有控制端口的三端器件，但控制端在器件導通后即失去控制作用，如SCR。

(3)全控型器件：指有控制端口的三端器件，控制端同時具有控制器件通斷狀態的能力，如GTO、IGBT。

當前國內外電力電子器件的發展方向是高頻化、全控型、低損耗、易驅動、集成智能化。現今，又由IGBT派生出IGPT、IGCT及IPM等集成模塊。隨著現有電力半導體器件性能的不斷完善、新型材料和器件的出現及各種先進加工技術的研制，電力電子器件將會朝著高電壓、大容量、高集成及智能的方向飛速發展。

1.2 電力電子變換技術

電力電子變換電路的基本功能是將電網的電能轉換為負載需要的形式，不論電路拓撲結構如何，其基本轉換電路只有4種形式[3]：

(1)整流電路AC－DC；

(2)斬波電路DC－DC；

(3)逆變電路DC－AC；

(4)交流變換電路AC－AC。

1.3 電力電子控制技術

電力電子控制電路的基本功能是應用自動控制理論和計算機技術來提高系統的性能，一般的控制方式有：相控方式，頻控方式，斬控方式，相頻控制方式及斬頻控制方式。

先進的控制方式對改進變換電路的性能和效率是必不可少的關鍵技術之一

2 電力電子技術發展所產生的負面影響

隨著電力電子裝置的廣泛使用，帶來了很多負面影響[4]：如電網品質惡化，裝置的功率因數降低和無功消耗增大，負載的波形發生畸變等，。

無功功率對電網造成的影響是眾所周知的，它主要表現在以下3個方面：（1）頻繁的無功功率負載沖擊會引起電網電壓的波動，使供電質量嚴重降低；（2）增加電網上所連設備的容量；（3）增加設備和線路的損耗。

諧波產生的危害主要有以下幾方面：（1）諧波使電能產生和傳輸環節的效率降低；（2）諧波使連在電網上的用電設備不能正常工作，比如引起振動、產生噪聲以及電機過熱甚至燒毀等；（3）諧波很容易使電網上無功補償電容器和系統中的電抗器產生諧振，從而燒毀電容器及電抗器；（4）諧波會導致繼電保護和自動裝置的誤動作，使自動控制系統失效；（5）諧波對電能的計量提出了一個新的課題；（6）諧波還會對通信系統產生干擾，嚴重的可以導致信息丟失、通訊設備中斷等。

3 電力系統諧波抑制及補償技術的研究

為把電網中的諧波控制在允許范圍內，各國相繼制訂并頒布了限制電力系統無功和諧波的法規或由權威機構制訂限制諧波和無功的規定、導則。在國際上比較著名的標準為 IEEE519和IEC555-2[5]。我國國家技術監督局批準并頒發了《電能質量——公用電網諧波》。該標準對諧波和諧波電流的合成方法作了明確說明，將我國低壓電網（0.38 kVAC）的電壓總諧波畸變率定為5%，且規定奇次諧波電壓含有率低于 4%，偶次諧波電壓含有率低于2%。

為了滿足諧波標準的要求，有必要對電網中的諧波和無功進行抑制及補償。目前，裝設諧波補償裝置來補償諧波屬于比較可行的措施，主要有兩種治理方式：無源濾波器與有源濾波器，及由其兩者結合產生的混合有源濾波器，一般將混合有源濾波器歸為有源濾波器的種類中去，作為有源濾波器發展的一個分支。

3.1 無源電力濾波器

用無源電力濾波器進行抑制諧波、補償無功和提高電網的功率因數。它利用電感、電容元件的諧振特性，在阻抗分流回路中形成低阻抗之路，從而減小流向電網的諧波電流。無源濾波器（PPF）具有初期投資小，運行效率高等優點。但PPF的濾波效果受電力系統阻抗的影響較大，且只能消除特定次數的諧波，還可能與系統發生串、并聯諧振，導致諧波放大，使設備過載甚至燒毀，而且裝置笨重，體積大，有效材料消耗多。

3.2 有源電力濾波器

與PPF相比，有源電力濾波器（Active Power Filter，簡稱 APF）[6,7]具有明顯的優越性能，具體表現在：

（1）不僅能補償各次諧波，還可同時補償無功功率、抑制閃變、調節和平衡三相不平衡電壓等；

（2）濾波特性不受系統阻抗和頻率的影響，可消除與電網阻抗發生串、并聯諧振的危險，且對外電路的諧振具有阻尼作用

（3）具有自適應能力，能對變化的諧波進行迅速的動態跟蹤補償；

（4）不存在過載問題，當負載諧波電流較大時，控制電路易實現限流保護以提高系統的安全性。

由于上述優點，APF作為綜合治理電網污染、提高電網穩定性和改善電能質量的一項關鍵技術得到廣泛的關注，成為研究的熱點。對APF的研究主要分為以下幾個方面：拓撲結構，諧波檢測方法，直流電壓控制，電流跟蹤控制，PWM 調制方法，將在本文依次進行綜述介紹。

3.2.1拓撲結構

目前投入使用的APF種類繁多，其分類方法也多種多樣[8,9]。根據應用場合的不同，APF可分為有源直流濾波器和有源交流濾波器兩大類。前者主要用來消除高壓直流系統中換流器直流側的電壓，后者則應用于交流電力系統；根據APF的逆變電路儲能元件的不同，分為電流型和電壓型兩種，其電路結構如圖1所示。電壓型濾波裝置（圖 1（a））效率高、初期投資小，可任意并聯擴容，易于單機小型化，經濟，適用于電網級諧波補償。目前實用裝置90%以上為電壓型，技術相對成熟、完善。電流型濾波裝置（圖 1（b））作為非正弦電流源來滿足非線性負載的諧波電流要求，其結構簡單、性能可靠，但損耗較大，不適用于大容量系統。

圖1 有源電力濾波器逆變電路結構圖

比較具有應用價值的分類方法是通過 APF與電網的連接方式來進行，則APF可分為并聯型和串聯型。并聯 APF并聯接入電網，如圖 2(a)所示，其主要功能是消除負載引起的諧波電流，也可以補償無功和平衡三相電流。并聯型APF的優點是它只流過補償電流和小部分基波有功電流，方便多臺并聯使用，可以適用于多種容量場合的應用。串聯型APF，如圖2(b)所示，通過向電網中加上或從電網電壓減去一個瞬時電壓，使負載側電壓維持一個純正弦波。與并聯 APF相比，其主要缺點是流過很高的負載電流，使得變壓器的額定參數上升，體積變大。它的主要優點是能補償電網諧波電壓和三相不平衡電壓，對電壓敏感性負載尤為適用。目前，實際應用裝置中并聯型APF占了大多數。

雖然 APF能實現大容量和低損耗以及多功能，但由于受開關器件的限制，容量的增大往往有限，而且造價隨之增大，性價比大大降低。而PPF具有結構簡單、造價低廉等特點，人們便提出各種由APF和PPF相結合的混合型APF來減小APF的容量，提高裝置的經濟性。

PPF和小容量串聯型APF混合使用，如圖2(c)所示。PPF仍起主要的濾波和無功補償作用，APF主要用來增大電源和PPF間串聯和并聯諧振的阻尼，改善PPF濾波特性。另外，APF還能抑制因電源電壓中可能存在的諧波電壓而產生流向PPF的諧波電流。該電路對APF的容量要求不高，不超過負載容量的 1.6%，總損耗約為負載容量的0.2%。但由于APF串聯于電路中，當負載過載時APF也將過載；很難把APF與電網隔離開，易發生短路。APF一旦發生故障也將危及電網；對電網電壓的閃變沒有作用。

并聯 APF和 PPF混合并聯使用，如圖 2(d)所示。APF只消除少部分諧波，而PPF則消除大部分諧波，這樣就可以在增加很少的功率開關費用的條件下，對大功率系統進行補償。其主要缺點是PPF與APF之間會存在環流電路，影響諧波補償效果。

并聯型APF也可以與PPF混合串聯使用，如圖2(e)所示，通常將其稱為并聯混合APF。此種拓撲結構中，APF主要不是用來直接補償諧波和無功功率，而是用來抑制PPF與電網阻抗之間的并聯諧振，即所謂的諧波放大(與電網諧振)現象，以改善PPF的諧波補償特性，其中逆變器因不承受基波電壓而使其容量大大減小。同時APF通過的電流為PPF流過的基波無功和諧波電流，不存在過電流的危險；APF發生的故障也不會危及電網。目前，此類混合APF應用比較廣泛，性能價格比比較好。

另外，為了充分發揮并聯 APF和串聯 APF優點，可以將二者組合起來使用，這就是統一電能質量調節器(UPQC)，如圖2(f)所示。串聯APF通過變壓器接入主電路中，具有諧波隔離、電壓調節以及電壓閃變和不平衡的補償等作用；并聯APF直接與主電路相連，起諧波和負序電流消除、無功電流補償和直流母線電壓調節作用。兩個APF都采用電壓型逆變器結構，共用直流電容器，損耗低，效率高；整個裝置可以消除非線性負載引起的電源電壓諧波畸變，調節負載端電壓，消除負載產生的諧波電流。但是因為串并聯兩個逆變器的開關模式互相依賴，因此控制起來比較復雜，而且裝置成本較高。

為了進一步降低APF承受的基波電壓，降低APF的容量，可以考慮采用LC串聯或并聯諧振電路作為注入電路，如圖 2(h)和2(g)所示。串聯諧振注入式APF中，LC電路在基波頻率處發生串聯諧振，阻抗近似為零，迫使無功電流流入LC電路，逆變器基本不承受基波電壓及基波無功電流，所以此類型混合APF比較適用于無功補償量大的場合；而對于諧波而言，LC電路阻抗很大，相當于開路，APF產生的補償電流都注入電網，不會進入LC電路。并聯諧振注入式APF的LC電路在基波頻率處發生并聯諧振，阻抗很大，基波電壓絕大部分降落在 LC電路上，對于諧波成分，LC電路阻抗極小，而且遠遠小于支路中的另一個電感的諧波阻抗，保證APF產生的諧波電流順利注入電網，達到補償諧波電流的目的。

綜上所述，APF及其派生的拓撲結構種類非常多，功能側重點不同，但是目前混合拓撲結構比較實用，而且其中的并聯混合APF應用最為廣泛，如圖2（e）所示，實際應用中，其無源部分一般由一個單調諧PPF或者若干個單調諧加一個高通PPF組構成。

圖2 各種派生的電力有源濾波器電路結構圖

3.2.2有源電力濾波器的控制策略

控制策略是有源電力濾波技術的核心問題，對有源濾波器的控制包括對直流側電容電壓的控制和對有源濾波器輸出電流的跟蹤控制。一般說來，可以分為開環控制和閉環控制兩大類。由于開環控制方法實現簡單，在APF的發展初期多采用這種策略，但是這類系統補償性能一般。目前應用中的APF基本上都采用第二類控制方法。閉環控制策略檢測需要控制的目標量與參考值進行比較，形成反饋回路，它的補償效果遠好于開環控制。有源電力濾波器的閉環控制策略中最常用的是PI控制，另外還有變結構控制、模糊控制、單周控制和人工神經網絡控制等現代新型控制方法，但是由于隨著控制器性能的提高，其復雜性也相應提高，所以其實用性還有待于進一步提高。

4 結論

現今，電力電子技術的發展掀開了科技史上的新篇章，也帶來很多需要不斷解決的問題。比較典型的就是引起電力系統中的諧波污染問題，必須再利用電力電子技術對其進行有效的治理。

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